一种创新的3D打印水凝胶骨植入物能够模仿人体复杂的生物结构，实现更快的骨修复。该技术由苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发，并发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上。
苏黎世联邦理工学院的教授秦晓华（Xiao-Hua Qin）和拉尔夫·穆勒（Ralph Müller）利用生物相容性软材料设计了这种3D打印水凝胶，该材料具有果冻状稠度，并会随着新骨组织的形成而逐渐溶解。（参考来源：水溶性PVA大分子硫醇实现400毫米/秒的双光子微加工细胞交互水凝胶结构）
这种生物可吸收支架支持细胞定植，能够制造出与人体生物学无缝整合的个性化骨科植入物。
传统自体骨移植和金属植入物的缺点是什么？
在（滑雪）事故中骨折的骨头通常可以自行愈合。但如果骨折过于严重，或者需要切除骨肿瘤，外科医生会植入一种植入物，使骨头能够重新长在一起。
植入物通常由患者自身的骨片（即自体骨移植）、金属或陶瓷部件组成。当今许多植入物的一个关键缺点是需要进行二次手术来获取自体骨移植的骨组织。
此外，金属植入物往往过于坚硬，可能会随着时间的推移而松动，影响稳定性。
研究人员解释说，在自然骨愈合的初始阶段，身体首先使用一种柔软的材料。骨折后最初的几天里，会形成血肿或淤青，这种血肿具有渗透性，有助于修复细胞和免疫细胞的迁移以及营养物质的输送。
一个纤维蛋白网络将这些细胞结合在一起。这种初始的柔软结构逐渐转变为坚硬、僵硬的骨头。
纳米级打印如何重现骨骼的自然结构？
这种水凝胶模拟了自然的骨愈合过程。它由97%的水和3%的生物相容性聚合物组成。为了使其凝固，研究人员引入了两种特殊分子：一种连接聚合物链，另一种在光照下触发反应。
秦晓华和穆勒的前博士生邱婉婉（Wanwan Qiu）专门为此应用开发了这种连接分子。“它能够在亚微米范围内快速结构化水凝胶，”她说。
当特定波长的激光脉冲照射到水凝胶上时，聚合物链立即被连接起来。被照射的区域立即变成固体，而未受照射的部分稍后可以被冲洗掉。
通过这种方式，研究人员可以利用激光束以极高的分辨率和精度在水凝胶中打印出任意形状和结构。这些结构可以小至500纳米。
天然骨结构包含数公里的微小隧道
“水凝胶类似于果冻，难以塑形，”ETH教授秦晓华说。“利用我们新开发的连接分子，我们不仅能够稳定且极其精细地构造水凝胶，还能以高达每秒400毫米的书写速度进行生产。这是一个新的世界纪录。”
在他们的研究中，研究人员制造了复杂的结构化水凝胶，这些水凝胶类似于真实的骨骼，并具有精细的骨小梁网络。他们以医学影像为模板。
即使是健康的天然骨骼，也被精细的通道网络贯穿，这些通道只有纳米级粗细，内部充满液体。“一块骰子大小的骨骼中含有74公里的隧道，”秦晓华说。作为比较，世界上最长的铁路隧道——圣哥达基线隧道（Gotthard Base Tunnel）长度为54公里。
个性化水凝胶植入物何时可用于临床？
到目前为止，研究人员仅在试管中测试了这种材料。结果表明，骨形成细胞迅速定殖于结构化的水凝胶，并开始形成胶原蛋白，这是骨骼的重要组成部分。
测试还证实，这种材料具有生物相容性，不会损伤骨形成细胞。研究人员已为这种基础材料申请了专利，并计划将其投入医疗行业。
研究人员的明确目标是让这种基于水凝胶的植入物有一天能用于临床修复骨折。然而，还需要进行更多工作。秦晓华正准备与达沃斯AO研究所合作进行动物实验。
研究团队旨在确定他们的新型骨修复材料是否能促进活生物体中骨形成细胞的迁移，以及是否能随时间恢复骨骼强度。
参考来源：
- 水溶性PVA大分子硫醇实现400毫米/秒的双光子微加工细胞交互水凝胶结构。 - （来源：Advanced Materials）
来源：Eurekalert
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